Science des Procédés Céramiques et de Traitements de Surface (SPCTS)

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Des matériaux conducteurs protoniques à basse température : une nouvelle génération de SOFC ?

Contacts

Nicolas Glandut nicolas.glandut@unilim.fr
Pierre Lefort pierre.lefort@unilim.fr


Contexte/objectifs

Une étude débutée en 2008 porte sur la génération d’une couche de conducteur protonique, sur un substrat non-oxyde conducteur métallique, par traitement laser. L’intérêt est évident pour des applications de types piles à combustibles à oxydes solides (SOFC). Ce travail rejoint donc implicitement les préoccupations d’un autre thème transversal, à savoir le thème "Dispositifs multi-échelles et multi-matériaux pour les nouvelles technologies de la production d’énergie".

Les tests de référence ont été réalisés sur des pièces composites SiC-ZrB2, préalablement frittées sous charge, afin d’obtenir une densification proche de 100 % et de s’affranchir ainsi des perturbations électriques associées à la porosité. La deuxième étape consiste à oxyder ces composites SiC-ZrB2 à 1400 °C en four sous air, puis à les caractériser par MEB-EDS, MET et XPS ainsi que par électrochimie. L’épaisseur de la couche de silice amorphe et dense, formée sur le composite est de l’ordre de 2 à 4 µm (Fig. 1), ce qui en fait un électrolyte de choix pour SOFC sachant que la silice vitreuse hydratée est un excellent conducteur protonique à très basse température (80°C). Cette solution présente l’avantage de passer de l’électrolyte oxyde conducteur ionique à l’électrode non-oxyde conducteur métallique de façon continue. Les risques de délaminage et de résistance ohmique d’interface sont ainsi minimisés. Les premiers résultats obtenus sont encourageants avec une conductivité ionique (H+) voisine de 2 mS/cm à 25 °C. Cette conductivité a été obtenue pour des épaisseurs de silice vitreuse relativement faible. En comparaison, la zircone yttriée présente une conductivité de l’ordre de 30 mS/cm à 800 °C, mais cette valeur est généralement donnée pour des épaisseurs de couches d’au moins un ordre de grandeur supérieur à l’épaisseur de notre couche de silice.

Les travaux en cours consistent à développer une couche d’oxyde conducteur protonique dense sur ces mêmes composites, cette fois-ci poreux à environ 30 %, par retraitement laser de la couche oxydée. Ainsi, des demi-piles de SOFC "carbures-borures poreux/oxyde vitreux dense" pourront être fabriquées. Les combustibles pourront être le méthanol ou l’hydrogène, à l’image des piles à combustibles PEMFC à électrolyte polymère.

 

Coupe de l’électrode SiC-ZrB2/SiO2
Coupe de l’électrode SiC-ZrB2/SiO2
Mis à jour le 3 mars 2010

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